Estimativa da profundidade do solo e seu efeito na modelagem de escorregamentos

Diversos fenômenos hidrogeomorfólógicos, tais como os escorregamentos, fluxos de detritos e inundações, dependem diretamente da distribuição espacial da profundidade do solo. Justamente por isso, a profundidade do solo é uma variável de extrema importância em inúmeros estudos ambientais, tais como a modelagem hidrológica, geomorfológica ou de estabilidade de encostas. Entretanto, atualmente, as metodologias para definir a distribuição espacial deste parâmetro nas encostas são escassas. As metodologias existentes para estimativa da profundidade do solo podem ser divididas em: (i) métodos de campo e (ii) matemáticos. Os métodos de campo são capazes de realizar esta tarefa de maneira pontual ou em áreas de reduzidas dimensões, além de demandarem grande tempo e esforço. Os métodos matemáticos têm a capacidade de definir uma distribuição espacial para a profundidade do solo sobre grandes áreas, porém, na maioria das vezes, as metodologias são aplicáveis apenas para casos específicos. Assim, o presente trabalho tem por objetivo propor uma nova metodologia, através de modelagem fisicamente embasada, para estimativa da máxima profundidade do solo das encostas, com a finalidade de aperfeiçoar a modelagem de escorregamentos. Para isso, foi utilizada uma abordagem baseada em um modelo de estabilidade de encosta infinita, combinado a um modelo hidrológico de estado uniforme. Através desta metodologia foi possível estabelecer a distribuição da profundidade máxima do solo das encostas da bacia do arroio Jaguar, em Alto Feliz-RS, considerando os padrões de distribuição da umidade do solo relacionados àquelas estações chuvosas que não foram capazes de deflagrar escorregamentos. O modelo construído foi chamado de Modelo de Estimativa da Máxima Profundidade do Solo (MEMPS). Dados de campo foram coletados para aplicação e verificação do desempenho do modelo proposto. O mapa de profundidade do solo das encostas elaborado com o MEMPS foi utilizado no modelo de escorregamentos (TRIGRS), juntamente com outros mapas de profundidade do solo elaborados com diferentes metodologias. Através da comparação do resultado da modelagem foi verificada a influência da adoção de diferentes padrões de distribuição espacial da profundidade do solo na modelagem de escorregamentos. Cicatrizes de escorregamento foram utilizadas para esta verificação através do cálculo de dois índices tradicionalmente utilizados na avaliação do desempenho de modelos de estabilidade de encostas e mais dois novos índices temporais propostos pelo presente trabalho. Os resultados mostraram que a utilização da distribuição da profundidade do solo calculada a partir do MEMPS na modelagem de escorregamentos gera informações de estabilidade de encostas mais realistas, tanto em termos espaciais quanto temporais.Many hydrogeomorphologic phenomena, such as landslides, debris flows and floods, are strongly dependent on the soil depth distribution. Therefore, the soil depth is an important variable in innumerous environmental studies, such as hydrolological, geomorphological and slope stability modelling. However, nowadays there is a scarcity in the methodologies to define the spatial distribution of this parameter on the slopes. The existing methodologies to define soil depth can be divided in (i) field methods and (ii) mathematical methods. The field methods are able to determine soil depth only locally or over a reduced extension area, and, furthermore, it demands so much time and effort that is not very easy to execute these methods. Though the mathematical methods are capable to determine soil depth distribution over large areas, they are usually applicable only to specific cases. Thus, the present work aimed to propose a new methodology to define the spatial distribution of the maximum soil depth on the slopes, with physically based modelling which is used on landslides analysis. Thereunto, it was utilized an approach based on an infinite slope stability theory combined with a steady state hydrological theory. Thus, it was possible to define the maximum soil depth distribution of the Jaguar creek basin’s slopes, Alto Feliz/RS/Brazil. The methodology took into account the wetness of the soil related to a intense rainy season which was not capable to trigger landslides. The model proposed by the present work was called Modelo de Estimativa da Profundidade do Solo (MEMPS). Field data were collected to apply and verify the model performance. The soil depth map elaborated with MEMPS was used in the landslide model (TRIGRS) together with other soil depth distribution maps elaborated based on other methodologies. The comparision between the results verified the influence of the soil depth distribution on slope stability analysis. Landslide scars were used to this verification through the calculation of two traditional indexes as well as two new temporal indexes proposed by the presentework. The results showed that the use of the soil depth depth distribution ebalorated with MEMPS in the landslide modelling generated more realistic slope stability maps in terms of both space and time

Modelagem de estabilidade de encostas com consideração do efeito de vegetação

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2013Inúmeros são os mecanismos envolvidos na estabilidade das encostas e desencadeamento de escorregamentos de terra. A vegetação pode desempenhar papel relevante nestes mecanismos. O presente trabalho teve como principal objetivo a verificação e quantificação da influência da vegetação sobre a estabilidade das encostas através da inserção de parâmetros relacionados à vegetação no fator de segurança (FS) e no modelo SHALSTAB. O efeito da vegetação pode ser de caráter mecânico ou hidrológico. Dentre os efeitos mecânicos, a coesão das raízes (cr), a sobrecarga gerada pelo peso das árvores (Sw) e a tensão gerada pela incidência do vento na copa das árvores (Ve) foram inseridos na equação do FS. Ao realizar uma análise de sensibilidade do equacionamento, observou-se que a influência da vegetação é dependente da profundidade do solo da encosta (z), sendo que solos rasos mostraram-se mais sensíveis à variação dos parâmetros inseridos. Dentre estes parâmetros, cr e Sw geraram maior influência sobre o FS. O valor de FS é pouco sensível a Ve. Posteriormente, os parâmetros cr e Sw foram inseridos no modelo SHALSTAB. O modelo modificado foi aplicado à bacia do rio Cunha, município de Rio dos Cedros/SC. A análise de sensibilidade do modelo modificado demonstrou similaridade à do FS. Em relação aos aspectos mecânicos da vegetação, a influência de cr e Sw é mais relevante em solos rasos. Os aspectos hidrológicos da presença da vegetação foram contemplados através do modelo de recarga uniforme. O aumento da recarga uniforme gera crescimento no percentual de áreas instáveis na bacia. Um efeito contrário foi observado com a transmissividade do solo. Entretanto, a abordagem hidrológica utilizada pelo modelo SHALSTAB é limitada, o que dificulta a contextualização destes resultados. Abstract: Many mechanisms are involved in slope stability and triggering of landslides, in which the vegetation plays a relevant role. The present work aimed mainly to verify and quantify the vegetation influence on the slope stability through the insertion of parameters related to vegetation in the factor of safety (FS) and in the slope stability model SHALSTAB. The vegetation may exercise mechanic or hydrological influence. Among mechanic effects, root cohesion (cr), tree surcharge (Sw) and surface shear stress due to wind load (Ve) were inserted in the FS equation. A sensitivity analysis of FS indicated the vegetation influence depends on the soil depth (z). Thin soils were more sensitive to the variation of inserted parameters. The most significant influence on the FS was exercised by cr and Sw while the least expressive parameter was Ve. Further, cr and Sw were inserted in SHALSTAB. The modified model was applied to the Cunha river basin, Rio dos Cedros/SC, and the results of sensitivity analysis showed similarity to the FS results. Regarding vegetation mechanics aspects, the main influence of cr and Sw took place in thin soils. The hydrological aspects of vegetation were covered by the steady state hydrological model. The increasing of steady state recharge raises the unstable areas in the basin. The opposite effect was observed with soil tansmissivity. However, the hydrological approach used by SHALSTAB is based in faulty concepts, making the results discussion difficult

Estabelecimento de limites para profundidade do solo de encostas com base no fator de segurança

A estimativa da profundidade do solo é uma tarefa essencial para entendimentos dos fenômenos hidrogeomorfológicos. O presente trabalho propôs uma nova formulação para estimativa da profundidade através da inserção de um modelo hidrológico na equação do Fator de Segurança. A nova formulação foi aplicada e comparada com outras equações de embasamento similar. Os resultados mostraram que dentro de sua faixa de aplicabilidade a nova formulação descreve adequadamente o comportamento da profundidade.The soil depth estimate is an essential task for understanding hydrogeomorphic phenomena. The present study proposed a new formulation for estimating the soil depth through the insertion of a hydrological model in the Safety Factor equation. The proposed formulation was applied and compared with other two equations which have a similar approach. The results demonstrated that the proposed formulation adequately describes a behavior of the soil depth inside its application boundary

Soil depth estimation : part 1 - field methods

A profundidade do solo é um parâmetro de extrema importância e de difícil estimativa em diversos estudos ambientais, principalmente geomorfológicos e hidrológicos. Além disso, a profundidade do solo é uma das variáveis dos sistemas de encostas com comportamento menos compreendido pela comunidade científica. O presente trabalho é o primeiro de dois artigos que têm como objetivo apresentar o estado da arte referente aos métodos utilizados para estimativa deste parâmetro. Neste primeiro artigo são abordados os métodos de campo, sendo que estes ainda foram subdivididos em: (i) métodos de referência; e (ii) métodos geofísicos. Os métodos de referência caracterizam-se principalmente pela abertura de trincheiras, tradagem e uso de penetrômetros. Os geofísicos englobam, principalmente, métodos sísmicos, elétricos e eletromagnéticos. O avanço nas técnicas de aplicação dos métodos geofísicos demonstra sua grande potencialidade para identificar formações na subsuperfície. Entretanto, os métodos de referência, embora rudimentares, ainda são necessários para validação das informações obtidas com os demais métodos.Soil depth is an important parameter which is hard to be estimated in various environmental studies, mainly geomorphic and hydrological ones. Furthermore, the soil depth is one of the most unknown variables of the hillslope system for the scientific community. The present work is the first of two papers that aim to present the state of the art related to methods to estimate soil depth. This paper addresses the field methods that are divided in two types: (i) reference methods; and (ii) geophysical methods. The reference methods are characterized for opening trenches, borehole and the use of penetrometers. The geophysical ones include mainly seismic, electric and electromagnetic methods. The improvement in the geophysical methods demonstrates a great potential to identify subsurface formations. However, the reference methods, that are more rudimentary, still remain necessary for validation of the information obtained by the other methods

Soil depth estimation : part 2 - mathematical methods

O presente trabalho é o segundo de uma série de dois artigos que têm como objetivo apresentar o estado da arte referente aos métodos de estimativa da profundidade do solo. Neste segundo artigo foram abordados os métodos matemáticos, subdivididos em: (i) estatísticos; (ii) empíricos; e (iii) baseados em processos. Os métodos estatísticos são representados principalmente por técnicas da estatística clássica e ferramentas de geoestatística implementadas em ambiente de SIG. Tal método vem alcançando bons resultados na definição da distribuição espacial da profundidade do solo. Entretanto, necessitam de um grande número de dados para estabelecimento dos modelos e, além disso, precisam ser reformulados para diferentes áreas de estudo. Os modelos empíricos são os que apresentam a abordagem mais simples. Aqueles que trazem relações embasadas na dinâmica de formação dos solos têm gerado bons resultados. Tais métodos são mais comumente usados quando há escassez de dados ou quando os mecanismos de formação dos solos ainda não puderam ser plenamente descritos, parametrizados e/ou quantificados. Os métodos baseados em processos são aqueles que utilizam equações de base física para descrever os inúmeros mecanismos que influenciam na formação e desenvolvimento dos solos. Embora gerem resultados muito satisfatórios, requerem que os processos físicos atuantes na área analisada estejam bem definidos e que os parâmetros e dados de entrada sejam precisos. Enfim, conclui-se que a escolha do melhor método para estimativa da distribuição espacial da profundidade do solo dependerá do tipo, quantidade e qualidade dos dados existentes para a área de estudo.The present work is the second of two papers that aim to present the state of the art related to methods used to estimate soil depth. This second paper addressed the mathematical methods and subdivided them into three classes: (i) statistical; (ii) empirical; and (iii) process-based. The statistical methods are represented mainly by classic statistical methods and geostatistical tools implemented in GIS. These methods have well achieved the determination of the soil depth spatial distribution. However, they require many data to define the models and need to be reformulated when applied to other study areas. The empirical methods are the simplest among three mathematical ones. The empirical models that include relations based on the soil formation dynamics have demonstrated good performances. They are commonly used when there is a lack of data or where the soil formation mechanisms are not yet described, parametrized and/or quantified. The process-based methods are those that use physically-based equations to describe various mechanisms affecting the soil formation and evolution. Though generating satisfactory results, they require that the physical processes acting in the study area are well defined and that parameters and input data are accurate. Finally, it is concluded that an adoption of the best soil depth estimation method depends on the type, quantity and quality of existing soil-data of the study area